張保林

（山西路橋集團(tuán)交通機(jī)電工程有限公司，山西 太原 030024）

引言

閉環(huán)控制系統(tǒng)的液壓自動增益控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點。高速開關(guān)閥相對于伺服閥在液壓自動增益控制系統(tǒng)中有更多的應(yīng)用，同時控制準(zhǔn)確度和響應(yīng)的快慢是必須要考慮的因素[1-3]。因此，本文結(jié)合不同控制方法來研究數(shù)字液壓自動增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使自動增益控制位置閉環(huán)控制系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地調(diào)整液壓缸的位置。

1 基于傳統(tǒng)PID控制的數(shù)字液壓AGC系統(tǒng)

當(dāng)切換高速開關(guān)閥時，局部機(jī)械摩擦及交流電產(chǎn)生的磁力會影響到高速開關(guān)閥內(nèi)部。為了解決高速開關(guān)閥流量控制不準(zhǔn)確的問題，通過改變其占空比，有效地消除了流量控制的不活躍區(qū)域和不確定區(qū)域[4]。

高速開關(guān)閥占空比輸入方程如公式（1）（2）：

式中：τ和τ'均表示占空比，τ由閉環(huán)控制系統(tǒng)相互作用得出；τ'由比例交換作用后得出；S表示缸體移動所需的參數(shù)；x表示缸體運動距離。

根據(jù)數(shù)字液壓自動增益控制系統(tǒng)的PID控制原理和各部件的數(shù)學(xué)模型，利用Simulink仿真軟件建立閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型[5]。研究了脈寬調(diào)制控制對PID控制系統(tǒng)的影響及脈寬調(diào)制控制對自動增益控制液壓缸運動位置的控制特性?；谝簤篈GC系統(tǒng)的特點，在線精調(diào)時，調(diào)整量一般在0.1 mm左右，因此本次模擬所需的位移調(diào)整量S設(shè)定為0.1 mm。仿真模型如圖1—圖4所示。

圖1 閉環(huán)系統(tǒng)基于PID控制的位置仿真模型

圖3 傳統(tǒng)PWM控制模塊

圖4 占空比線性轉(zhuǎn)換PWM控制模塊

在圖2的控制系統(tǒng)中，上部運用了PID和占空因數(shù)影響PWM的控制系統(tǒng)，下部運用了PID和傳統(tǒng)PWM相結(jié)合的控制系統(tǒng)。PID控制器的三個影響因子如下：KP=15，KI=0.004 7，KD=4。

圖2 占空比線性轉(zhuǎn)換前后仿真系統(tǒng)對比

結(jié)合兩大系統(tǒng)對比研究缸體位移基于高速開關(guān)閥的效果，缸體移動的位移曲線如下頁圖5所示。

在下頁圖5中，細(xì)實線（——）表示的是PID與占空比轉(zhuǎn)換PWM結(jié)合的氣缸移動反饋曲線。開始時，兩條曲線重疊并呈直線上升。主要原因在于開始時占空比數(shù)值保持1不變，在高速開關(guān)閥繼續(xù)保持開啟狀態(tài)時，高速開關(guān)閥內(nèi)部依然運作，PWM系統(tǒng)沒有發(fā)揮作用，此時缸體保持恒定運動狀態(tài)；當(dāng)缸體排量越來越大時，PWM系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，曲線趨于水平。在PWM系統(tǒng)開始發(fā)揮作用時，缸體的移動總量與預(yù)估值非常接近，高速開關(guān)閥對于排量的精準(zhǔn)把控使得缸體的移動易于控制。

圖5 傳統(tǒng)PID缸體移動反饋曲線

由此得出，之前的PID控制器可以控制缸體移動的距離，基于由計算機(jī)控制的自動液壓系統(tǒng)，而占空比線性轉(zhuǎn)換PWM系統(tǒng)可以使得缸體的位移更容易控制。所以，通過比例積分微分控制和占空比線性轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制控制相結(jié)合的控制策略，可以通過高速開關(guān)閥對計算機(jī)控制的自動液壓缸體進(jìn)行精確控制。

2 基于模糊自適應(yīng)PID控制的數(shù)字液壓AGC系統(tǒng)

根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制原理和計算機(jī)控制的自動液壓控制系統(tǒng)中所建立的各種二維幾何圖形，通過研究其他中小型板材軋機(jī)，并通過二維軟件建立仿真模型[6]。此外，在基于占空比線性轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制控制的系統(tǒng)中運用模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)時，高速開關(guān)閥對計算機(jī)控制的自動液壓缸的位移具有很穩(wěn)定的控制特性，而且其系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較優(yōu)良。因為液壓AGC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在調(diào)整其精度時，調(diào)整的大小不宜太大，所以本次仿真將所需要的初始值定為0.2 mm。仿真模型如圖6—圖8所示。

圖8 模糊控制模塊

在圖6的模型中，上部運用了PID和占空因數(shù)影響PWM的控制系統(tǒng)，下部運用了PID和傳統(tǒng)PWM相結(jié)合的控制系統(tǒng)。PID控制器的三個影響因子如下：KP=15，KI=0.004 7，KD=4。結(jié)合兩大系統(tǒng)對比研究缸體位移基于高速開關(guān)閥的效果，缸體移動的位移曲線如圖9所示。

圖6 基于模糊自適應(yīng)PID控制與傳統(tǒng)PID控制的位置閉環(huán)系統(tǒng)對比圖

圖7 模糊PID控制模塊

圖9 模擬PID缸體移動反饋曲線

在圖9中，細(xì)實線（——）表示的是PID與占空比轉(zhuǎn)換PWM結(jié)合的氣缸移動反饋曲線，時間開始時，兩條曲線重疊并呈直線上升。主要原因在于開始時占空比數(shù)值保持1不變，在高速開關(guān)閥繼續(xù)保持開啟狀態(tài)時，高速開關(guān)閥內(nèi)部依然運作，PWM系統(tǒng)沒有發(fā)揮作用，此時缸體保持恒定運動狀態(tài)；當(dāng)缸體排量越來越大時，采用模糊自適應(yīng)PID控制的系統(tǒng)比傳統(tǒng)PID控制的系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度和更優(yōu)良的控制特性。缸體加壓時的反饋速率低于35 ms，符合AGC控制系統(tǒng)對反饋速率的標(biāo)準(zhǔn)。因為傳統(tǒng)和模糊自適應(yīng)的兩個控制系統(tǒng)均運用了PWM控制，缸體具有優(yōu)良的可控性能。

由以上研究可以得出，模糊自適應(yīng)控制器和PID控制器相結(jié)合的系統(tǒng)可以增加系統(tǒng)的反饋頻率，提高系統(tǒng)的精確控制性能。所以，模糊PID控制器和占空比的線性轉(zhuǎn)換相結(jié)合的系統(tǒng)具有控制精度高、輸出性能優(yōu)良的特點。高速開關(guān)閥可以快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)自動增益控制液壓缸的位置，從而取代液壓自動增益控制中的伺服閥，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)耐用性。

3 結(jié)語

本文將占空比線性轉(zhuǎn)換PWM控制分別應(yīng)用于傳統(tǒng)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制，分析了計算機(jī)控制下的自動液壓系統(tǒng)如何進(jìn)行精確控制位移大小，同時研究了基于兩種控制系統(tǒng)下高速開關(guān)閥對計算機(jī)控制下的自動液壓系統(tǒng)的液壓缸體的影響，并進(jìn)行對比分析得出，模糊自適應(yīng)PID控制器和占空比的線性轉(zhuǎn)換相結(jié)合的系統(tǒng)具有控制精度高、輸出性能優(yōu)良的特點。在控制系統(tǒng)中運用模糊自適應(yīng)PID控制器會增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并會優(yōu)化控制系統(tǒng)的反饋速率。